Jakie materiały znajdują się w baterii litowo-jonowej?

Materiały katodowe

Najnowocześniejsze materiały katodowe obejmują tlenki litu i metalu [takie jak LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ i Li(NixMnyCoz)O ₂ ], tlenki wanadu, oliwiny (takie jak LiFePO ₄ ) i tlenki litu wielokrotnego ładowania. ^11,12 Najczęściej badanymi materiałami do produkcji akumulatorów litowo-jonowych są tlenki warstwowe zawierające kobalt i nikiel. Wykazują wysoką stabilność w zakresie wysokiego napięcia, ale kobalt ma ograniczoną dostępność w przyrodzie i jest toksyczny, co stanowi ogromną wadę w przypadku masowej produkcji. Mangan oferuje niedrogi substytut z wysokim progiem termicznym i doskonałymi możliwościami w zakresie wydajności, ale ograniczonym zachowaniem cyklicznym. Dlatego często stosuje się mieszaniny kobaltu, niklu i manganu, aby połączyć najlepsze właściwości i zminimalizować wady. Tlenki wanadu charakteryzują się dużą pojemnością i doskonałą kinetyką. Jednakże w wyniku wprowadzania i ekstrakcji litu materiał ma tendencję do stania się amorficznym, co ogranicza zachowanie cykliczne. Oliwiny są nietoksyczne i mają umiarkowaną pojemność z niewielkim blaknięciem w wyniku cyklicznych zmian, ale ich przewodność jest niska. Wprowadzono metody powlekania materiału, które rekompensują słabą przewodność, ale zwiększają koszty przetwarzania akumulatora.

Materiały anodowe

Materiały anodowe to lit, grafit, materiały stopowe litu, materiały międzymetaliczne lub krzem. ¹¹ Lit wydaje się być najprostszym materiałem, ale wykazuje problemy z zachowaniem cyklicznym i wzrostem dendrytycznym, co powoduje zwarcia. Anody węglowe są najczęściej stosowanym materiałem anodowym ze względu na ich niski koszt i dostępność. Jednak teoretyczna pojemność (372 mAh/g) jest słaba w porównaniu z gęstością ładunku litu (3862 mAh/g). Podjęto wysiłki w zakresie nowatorskich odmian grafitu i nanorurek węglowych, aby zwiększyć wydajność, ale wiązało się to z wysokimi kosztami przetwarzania. Anody stopowe i związki międzymetaliczne mają wysoką pojemność, ale wykazują także dramatyczną zmianę objętości, co skutkuje złym zachowaniem podczas jazdy na rowerze. Podjęto wysiłki, aby przezwyciężyć zmianę objętości, stosując materiały nanokrystaliczne i umieszczając fazę stopową (z Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn i innymi) w niestopowej matrycy stabilizacyjnej (z Co, Cu, Fe lub Ni). Krzem ma niezwykle wysoką pojemność wynoszącą 4199 mAh/g, co odpowiada składowi Si ₅ Li ₂₂ . Jednak zachowanie rowerzystów jest słabe, a spadek wydajności nie jest jeszcze poznany.

Elektrolity

Bezpieczny i trwały akumulator wymaga solidnego elektrolitu, który wytrzymuje istniejące napięcie i wysokie temperatury, ma długi okres trwałości, a jednocześnie zapewnia wysoką ruchliwość jonów litu. Rodzaje obejmują elektrolity ciekłe, polimerowe i stałe. ¹¹ Elektrolity ciekłe to głównie elektrolity organiczne na bazie rozpuszczalników zawierające LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] lub podobny. Najważniejszym czynnikiem jest ich palność; najskuteczniejsze rozpuszczalniki mają niską temperaturę wrzenia i temperaturę zapłonu około 30°C. Dlatego odpowietrzenie lub eksplozja ogniwa, a w konsekwencji akumulatora stwarza zagrożenie. Rozkład elektrolitu i wysoce egzotermiczne reakcje uboczne w akumulatorach litowo-jonowych mogą powodować efekt zwany „niekontrolowaną temperaturą”. Zatem wybór elektrolitu często wiąże się z kompromisem pomiędzy palnością a wydajnością elektrochemiczną.

Separatory

Dobry przegląd materiałów i potrzeb separatorów przedstawiają P. Arora i Z. Zhang. ¹⁴ Jak sama nazwa wskazuje, separator akumulatora fizycznie oddziela od siebie dwie elektrody, unikając w ten sposób zwarcia. W przypadku ciekłego elektrolitu separatorem jest materiał piankowy, który nasączony jest elektrolitem i utrzymuje go na miejscu. Musi być izolatorem elektronicznym, mając jednocześnie minimalną odporność na elektrolit, maksymalną stabilność mechaniczną i odporność chemiczną na degradację w wysoce aktywnym elektrochemicznie środowisku. Ponadto separator często posiada funkcję bezpieczeństwa zwaną „wyłączeniem termicznym”; w podwyższonych temperaturach topi się lub zamyka pory, zatrzymując transport litowo-jonowy bez utraty stabilności mechanicznej. Separatory są syntetyzowane w arkuszach i łączone z elektrodami lub osadzane na jednej elektrodzie na miejscu. Pod względem kosztów ta druga metoda jest preferowaną metodą, ale stwarza pewne inne problemy związane z syntezą, obsługą i problemami mechanicznymi. Elektrolity w stanie stałym i niektóre elektrolity polimerowe nie wymagają separatora.

Separatory mają wbudowane mechanizmy wyłączania termicznego, a do modułów i pakietów akumulatorów dodawane są dodatkowe zewnętrzne, zaawansowane systemy zarządzania temperaturą. Rozważane są ciecze jonowe ze względu na ich stabilność termiczną, ale mają one poważne wady, takie jak rozpuszczanie litu na anodzie.

Elektrolity polimerowe są polimerami przewodzącymi jonowo. Często dodaje się je do kompozytów z nanocząsteczkami ceramicznymi, co skutkuje wyższą przewodnością i odpornością na wyższe napięcia. Ponadto, ze względu na wysoką lepkość i zachowanie quasi-stałe, elektrolity polimerowe mogą hamować wzrost dendrytów litu ¹³ i dlatego może być stosowany z anodami litowo-metalowymi.

Elektrolity stałe to kryształy przewodzące litowo-jonowe i szkła ceramiczne. Wykazują bardzo słabą wydajność w niskich temperaturach, ponieważ ruchliwość litu w ciele stałym jest znacznie zmniejszona w niskich temperaturach. Ponadto elektrolity stałe wymagają specjalnych warunków osadzania i obróbki temperaturowej, aby uzyskać akceptowalne zachowanie, co czyni je niezwykle kosztownymi w użyciu, chociaż eliminują potrzebę stosowania separatorów i ryzyko ucieczki termicznej.

Podsumowując, Materiały na baterie litowo-jonowe odgrywają kluczową rolę w ogólnej wydajności i efektywności akumulatory litowo-jonowe . Trwające wysiłki badawczo-rozwojowe obejmują poszukiwanie nowych materiałów i technologii w celu dalszej poprawy wydajności i trwałości akumulatorów litowo-jonowych.